一种基于产品气甲烷置换的煤层气脱氧除氮浓缩装置的制作方法

本实用新型涉及的是变压吸附气体分离技术领域，特别涉及一种基于产品气甲烷置换的煤层气脱氧除氮浓缩装置。

背景技术：

煤层气是热值高、无污染的优质能源。我国煤层气资源丰富，但低浓度煤层气占比较高。我国每年因采煤和其他活动排放超过12亿立方米低浓度煤层气。目前我国对这部分气体的利用率仅占总排放量的5％～7％，绝大部分排放到大气中，不仅浪费资源，而且会引起大气污染。

制约低浓度煤层气利用的一个重要因素是甲烷提纯技术不够成熟，工艺流程研究不够深入。如果将其所含甲烷纯度提高到90％以上，就能作为高能燃料和化工原料适用，降低能源浪费。

煤层气利用率低的另一个主要原因是在抽采过程中混入了大量的空气致使煤层气中含有大量的氧气，给煤层气的利用带来了一些安全隐患，也进一步制约了煤层气的综合开发利用。如果将其所含氧气浓度降低到1％以下，将有助于提高煤矿安全、降低环境污染。

变压吸附由于投资小、运行成本低等优势在气体分离领域应用广泛。专利CN85103557A描述了一种变压吸附浓缩煤层气的技术，以活性炭为吸附剂，在压力为0.5～1.0Mpa的条件下可以将甲烷提浓到95％以上。采用该技术在河南焦作矿务局建成我国第一套处理煤层气气量为1.2万m³/天的工业实验装置，成功地将煤层气中的甲烷体积分数由30.4％提高至63.9％,增加置换步骤后可进一步提高至99.4％。由于在吸附过程中存在安全隐患，该技术很难得到大范围推广。其他专利也都提出了类似的工艺方法，但均无法避免甲烷和氧气混合物处于爆炸极限范围内的情况，存有较大的安全隐患。专利CN105879577A提供了一种基于氮气置换的煤层气脱氧浓缩方法及装置，通过氮气置换的方法，在吸附剂吸附结束后采用氮气从吸附塔进气端注入吸附塔，将吸附塔内的甲烷装置置换出吸附塔，降低解析气中的甲烷浓度，可将产品气中的氧气浓度控制在0.3％以下，解析出的甲烷浓度在5％以下，避免进入甲烷爆炸极限，从而安全实现煤层气的脱氧浓缩。但未提及该方法对甲烷的提浓效果以及进一步降低氧气浓度的可能性。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，提供了一种基于产品气甲烷置换的煤层气脱氧除氮浓缩装置。通过两级变压吸附过程，其中包括：第一级脱氧过程，甲烷和氮气由塔顶进入缓冲罐并带有一定压力并作为第二级过程的原料气，第一级可以采用吹扫再生或抽真空加吹扫再生；第二级脱氮过程，期间采用部分塔底甲烷置换的方法将吸附塔内的氮气置换出来，最终的甲烷产品由塔底抽空得到，氮气由塔顶流出进入缓冲罐。通过上述浓缩方法得到的最终产品气中氧气浓度在0.3％以下，甲烷的浓度在90％以上，不仅避免进入甲烷爆炸极限范围，确保吸附过程安全；而且达到煤层气中甲烷的高浓度富集目的。

一种基于产品气甲烷置换的煤层气脱氧除氮浓缩方法，包括以下两级过程：

第一级：脱除煤层气中的氧气；

第二级：脱除煤层气中的氮气；

所述上述浓缩分离方法富集后的产品气中氧气浓度在0.3％以下；经过甲烷置换后的解析气中甲烷的浓度在90％以上。

进一步地，所述第一级脱除煤层气中的氧气包括吸附、均压、逆放、抽空四个步骤。具体地，所述第一级脱除煤层气中的氧气包括以下步骤：

步骤一：吸附，采用吸附的方法在吸附塔内脱除煤层气中的氧气，将煤矿瓦斯气引入变压吸附系统中几个装填有吸附剂的吸附塔中，易被吸附组分氧气留在塔内，不易被吸附组分甲烷和氮气直接在塔顶得到；

步骤二：均压，在步骤一结束后，已吸附的塔与某一已结束抽真空步骤的吸附塔在各自出口端相连通，使已吸附的塔内气体输往已结束抽真空步骤的吸附塔，直到两个塔内压力相等；

步骤三：逆向减压，在步骤二之后，已完成吸附的塔进一步顺着出口端反方向减压，使得留在已吸附塔内的较低浓度甲烷在吸附塔底部排出，此时已吸附塔塔压降低至稍高于大气压力；

步骤四：抽空，在步骤三之后，已完成吸附的塔内压力降至为大气压力，但还留有一部分甲烷组分，这部分气体需通过抽真空将其抽出以使吸附塔内的吸附剂得到再生，为下一循环的吸附过程做准备。

作为本发明的一种优选，所述第一级脱除煤层气中氧气步骤一中的吸附压力为：0.5～0.9MPa，所述第一级脱除煤层气中氧气步骤三中的逆向减压压力为：0.01～0.15MPa。作为本发明的一种优选，所述第一级脱除煤层气中氧气步骤二均压方式可以为上部均压或上下交错均压。

作为本发明的一种优选，所述第一级脱除煤层气中氧气步骤四中的再生方式可以采用吹扫再生或抽真空加吹扫再生以及他们的组合方式。

作为本发明的一种优选，所述第一级脱除煤层气中氧气的吸附剂可以为活性炭、碳分子筛、分子筛、活性炭纤维、MOFs中的一种或几种。

进一步地，所述第二级脱除煤层气中氮气包括吸附、顺放、均压、置换、抽空五个步骤。具体地，所述第二级脱除煤层气中的氮气包括以下步骤：

步骤一：吸附，采用吸附的方法在吸附塔内脱除煤层气中的氮气，将第一级脱除氧气后的甲烷和氮气混合气加压后引入第二级变压吸附系统中几个装填有吸附剂的吸附塔中，易被吸附组分甲烷留在塔内，不易被吸附组分氮气和少量氧气直接在塔顶得到，流入缓冲罐；

步骤二：顺放，在上述步骤一之后，已吸附的塔进一步顺着出口端方向减压，直至甲烷组分刚刚在出口端穿透，此时塔内压力已降低至略高于大气压力；

步骤三：均压，在步骤二结束后，已吸附的塔与某一已结束抽真空步骤的吸附塔在各自出口端相连通，使已吸附的塔内气体输往已结束抽真空步骤的吸附塔，直到两个塔内压力相等，此时甲烷组分仍留在吸附塔内；

步骤四：置换，在上述步骤三均压终止的压力下，利用一部分产品气从上述已吸附塔的进口端向出口端方向通过，置换掉一部分尚残留在塔内的难吸附组分，并把该置换气回流到上述第二级前端；

步骤五：抽空，在上述步骤四之后，已完成吸附的塔内压力降至为大气压力，这部分气体需通过抽真空将其抽出以使吸附塔内的吸附剂得到再生，为下一循环的吸附过程做准备，抽出的浓缩气体作为最终产品气进入缓冲罐。

作为本发明的一种优选，所述第二级脱除煤层气中氮气步骤一中的吸附压力为：0.2～0.8MPa，所述第二级脱除煤层气中氮气步骤三中的逆向减压压力为：0.01～0.15MPa。作为本发明的一种优选，所述第二级脱除煤层气中氮气步骤三均压方式可以为上部均压或上下交错均压。

作为本发明的一种优选，所述第二级脱除煤层气中氮气步骤四甲烷置换，在均压结束后，部分塔顶产品气甲烷从吸附塔进气端在常压或增压方式下流过吸附塔。

作为本发明的一种优选，所述第二级脱除煤层气中氮气的吸附剂可以为活性炭、碳分子筛、分子筛、活性炭纤维、MOFs中的一种或几种。

一种基于产品气甲烷置换的煤层气脱氧除氮浓缩装置，其包括压缩机、第一级进气缓冲罐、第一级产气缓冲罐、第二级氮气缓冲罐、第一吸附塔、第二吸附塔、第三吸附塔、第四吸附塔、第五吸附塔、第六吸附塔及其各塔进气控制阀、抽空控制阀、均压控制阀、顺/逆放控制阀、产气及吹扫控制阀、抽空控制阀，单向阀，最终产品气缓冲罐、真空泵；所述第一级进气缓冲罐一端与所述压缩机连接，另一端与所述第一级进气控制阀分别与所述第一级第一/二/三吸附塔进气端相连；所述第一级第一/二/三吸附塔分别通过第一级抽空控制阀与所述真空泵相连；

所述第一级均压控制阀，一端通过同一管道相互连通，另一端分别与所述第一级第一/二/三吸附塔连接；所述第一级产气控制阀一端与所述第一级第一/二/三吸附塔上端连接，另一端均与所述单向阀一端连接，所述单向阀另一端与所述第一级产气缓冲罐连接；所述第一级产气缓冲罐另一端与所述第二级进气控制阀连接且与所述第二级第四/五/六吸附塔进气端相连，所述第二级第四/五/六吸附塔分别通过第二级抽空控制阀与所述真空泵相连；所述真空泵另一端与所述最终产品气缓冲罐相连；所述最终产品气缓冲罐与所述单向阀连接，另一端与所述第二级逆放控制阀连接；

所述第二级均压控制阀，一端通过同一管道相互连通，另一端分别与所述第二级第四/五/六吸附塔连接；所述第二级产气控制阀一端与所述第二级第四/五/六吸附塔上端连接，另一端均与所述单向阀一端连接，所述单向阀另一端与所述第二级氮气缓冲罐连接。进一步，所述吸附分离过程分为两级，所述装置中的吸附塔数量为4个或更多。

本实用新型的有益效果是：通过上述浓缩方法得到的最终产品气中氧气浓度在0.3％以下，甲烷的浓度在90％以上，达到煤层气提纯目的。本发明实现低浓度煤层气提纯制取高浓度甲烷的目的；分离过程采用甲烷置换将吸附塔内部分氮气置换出来，提高甲烷回收率；第二级分离过程产生的氮气可在第一级吸附塔再生时作为吹扫气使用，减少压缩能耗，降低第一级再生出口的甲烷和氧气浓度，排除了再生气进入爆炸极限的危险，确保吸附过程的安全。

附图说明

图1是一种基于产品气甲烷置换的煤层气脱氧除氮浓缩装置工作流程图；

图中：P01-压缩机，A1/B1/C1-第一级进气控制阀，A2/B2/C2-第一级逆向解析控制阀，A3/B3/C3-第一级抽空控制阀，A5/B5/C5-第一级均压控制阀，A6/B6/C6-第一级产气控制阀，A/B/C-第一级三个吸附塔，T00-第一级进气缓冲罐，T01-第一级产气缓冲罐，V01-第一级再生真空泵，T02-第二级氮气缓冲罐，D1/E1/F1-第二级进气控制阀，D4/E4/F4-第二级顺放控制阀，D3/E3/F3-第二级抽空控制阀，D2/E2/F2-第二级置换控制阀，D5/E5/F5-第二级均压控制阀，D6/E6/F6-第二级产气控制阀，V02-第二级再生真空泵，JV01/JV02/JV03/JV04/JV05-单向阀。

具体实施方式

下面将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，他们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或部件，可用于不同实施例中。

一种基于产品气甲烷置换的煤层气脱氧除氮浓缩方法，包括以下两级过程：

第一级：脱除煤层气中的氧气；

第二级：脱除煤层气中的氮气；

所述上述浓缩分离方法富集后的产品气中氧气浓度在0.3％以下；经过甲烷置换后的解析气中甲烷的浓度在90％以上。

进一步地，所述第一级脱除煤层气中的氧气包括吸附、均压、逆放、抽空四个步骤。具体地，所述第一级脱除煤层气中的氧气包括以下步骤：

步骤一：吸附，采用吸附的方法在吸附塔内脱除煤层气中的氧气，将煤矿瓦斯气引入变压吸附系统中几个装填有吸附剂的吸附塔中，易被吸附组分氧气留在塔内，不易被吸附组分甲烷和氮气直接在塔顶得到；

步骤二：均压，在步骤一结束后，已吸附的塔与某一已结束抽真空步骤的吸附塔在各自出口端相连通，使已吸附的塔内气体输往已结束抽真空步骤的吸附塔，直到两个塔内压力相等；

步骤三：逆向减压，在步骤二之后，已完成吸附的塔进一步顺着出口端反方向减压，使得留在已吸附塔内的较低浓度甲烷在吸附塔底部排出，此时已吸附塔塔压降低至稍高于大气压力；

步骤四：抽空，在步骤三之后，已完成吸附的塔内压力降至为大气压力，但还留有一部分甲烷组分，这部分气体需通过抽真空将其抽出以使吸附塔内的吸附剂得到再生，为下一循环的吸附过程做准备。

作为本发明的一种优选，所述第一级脱除煤层气中氧气步骤一中的吸附压力为：0.5～0.9MPa，所述第一级脱除煤层气中氧气步骤三中的逆向减压压力为：0.01～0.15MPa。作为本发明的一种优选，所述第一级脱除煤层气中氧气步骤二均压方式可以为上部均压或上下交错均压。

作为本发明的一种优选，所述第一级脱除煤层气中氧气步骤四中的再生方式可以采用吹扫再生或抽真空加吹扫再生以及他们的组合方式。

作为本发明的一种优选，所述第一级脱除煤层气中氧气的吸附剂可以为活性炭、碳分子筛、分子筛、活性炭纤维、MOFs中的一种或几种。

进一步地，所述第二级脱除煤层气中氮气包括吸附、顺放、均压、置换、抽空五个步骤。具体地，所述第二级脱除煤层气中的氮气包括以下步骤：

步骤一：吸附，采用吸附的方法在吸附塔内脱除煤层气中的氮气，将第一级脱除氧气后的甲烷和氮气混合气加压后引入第二级变压吸附系统中几个装填有吸附剂的吸附塔中，易被吸附组分甲烷留在塔内，不易被吸附组分氮气和少量氧气直接在塔顶得到，流入缓冲罐；

步骤二：顺放，在上述步骤一之后，已吸附的塔进一步顺着出口端方向减压，直至甲烷组分刚刚在出口端穿透，此时塔内压力已降低至略高于大气压力；

步骤三：均压，在步骤二结束后，已吸附的塔与某一已结束抽真空步骤的吸附塔在各自出口端相连通，使已吸附的塔内气体输往已结束抽真空步骤的吸附塔，直到两个塔内压力相等，此时甲烷组分仍留在吸附塔内；

步骤四：置换，在上述步骤三均压终止的压力下，利用一部分产品气从上述已吸附塔的进口端向出口端方向通过，置换掉一部分尚残留在塔内的难吸附组分，并把该置换气回流到上述第二级前端；

步骤五：抽空，在上述步骤四之后，已完成吸附的塔内压力降至为大气压力，这部分气体需通过抽真空将其抽出以使吸附塔内的吸附剂得到再生，为下一循环的吸附过程做准备，抽出的浓缩气体作为最终产品气进入缓冲罐。

作为本发明的一种优选，所述第二级脱除煤层气中氮气步骤一中的吸附压力为：0.2～0.8MPa，所述第二级脱除煤层气中氮气步骤三中的逆向减压压力为：0.01～0.15MPa。作为本发明的一种优选，所述第二级脱除煤层气中氮气步骤三均压方式可以为上部均压或上下交错均压。

作为本发明的一种优选，所述第二级脱除煤层气中氮气步骤四甲烷置换，在均压结束后，部分塔顶产品气甲烷从吸附塔进气端在常压或增压方式下流过吸附塔。

作为本发明的一种优选，所述第二级脱除煤层气中氮气的吸附剂可以为活性炭、碳分子筛、分子筛、活性炭纤维、MOFs中的一种或几种。

如图1所示，一种基于产品气甲烷置换的煤层气脱氧除氮浓缩装置，包括P01-压缩机，A1/B1/C1-第一级进气控制阀，A2/B2/C2-第一级逆向解析控制阀，A3/B3/C3-第一级抽空控制阀，A5/B5/C5-第一级均压控制阀，A6/B6/C6-第一级产气控制阀，A/B/C-第一级三个吸附塔，T00-第一级进气缓冲罐，T01-第一级产气缓冲罐，V01-第一级再生真空泵，T02-第二级氮气缓冲罐，D1/E1/F1-第二级进气控制阀，D4/E4/F4-第二级顺放控制阀，D3/E3/F3-第二级抽空控制阀，D2/E2/F2-第二级置换控制阀，D5/E5/F5-第二级均压控制阀，D6/E6/F6-第二级产气控制阀，V02-第二级再生真空泵，JV01/JV02/JV03/JV04/JV05-单向阀。

所述压缩机P01一端与低浓度煤层气来料端连接，另一端通过所述第一级进气缓冲罐T00与所述第一级进气控制阀A1/B1/C1分别与所述第一级三个吸附塔A/B/C下端连接；所述第一级三个吸附塔A/B/C分别通过所述第一级抽空控制阀A3/B3/C3与所述第一级再生真空泵V01连接；

所述第一级均压控制阀A5/B5/C5，一端通过管道相互连通，另一端分别与所述第一级三个吸附塔A/B/C上端连接；

所述第一级产气控制阀A6/B6/C6一端分别与所述第一级三个吸附塔A/B/C上端连接，另一端与所述单向阀JV02一端相连，所述单向阀JV02另一端与所述第一级产品气缓冲罐T01连接；

所述第一级产品气缓冲罐T01另一端与所述第二级进气控制阀D1/E1/F1连接；所述第二级进气控制阀D1/E1/F1分别与所述第二级三个吸附塔D/E/F连接；

所述第二级三个吸附塔D/E/F分别通过所述第二级抽空控制阀D3/E3/F3与所述第二级再生真空泵V02连接；所述第二级再生真空泵V02分别与所述第二级最终产品气缓冲罐T03连接；所述第二级最终产品气缓冲罐T03另一端与所述单向阀JV05连接；所述单向阀JV05与所述第二级逆放控制阀D2/E2/F2连接；

所述第二级均压控制阀D5/E5/F5，一端通过管道相互连通，另一端分别与所述第二级三个吸附塔D/E/F上端连接；

所述第二级产气控制阀一端分别与所述第二级三个吸附塔D/E/F上端连接，另一端与所述单向阀JV03一端相连，所述单向阀JV03另一端与所述第二级产品气缓冲罐T02连接；所述第二级产品气缓冲罐T02与所述第一级产气控制阀A6/B6/C6端连接；

本实施例中吸附分离过程分为两级、吸附塔的数量为6个，实际过程中可以根据具体要求少于或多余两级，吸附塔的数量可以少于或多余6个。

利用本实施例装置进行基于甲烷置换的煤层气脱氧除氮浓缩时，低浓度煤层气由压缩机P01压缩至第一级进气缓冲罐，经第一级进气控制阀A1/B1/C1流入吸附塔A/B/C；吸附塔内的吸附剂吸附低浓度煤层气中的强吸附组分氧气和部分氮气后，富甲烷气体和部分氮气作为产品气经第一级产品气控制阀A6/B6/C6从吸附塔A/B/C的排气端流出，通过第一级产品气缓冲罐T01进行收集；吸附结束后，打开第一级均压控制阀A5/B5/C5对吸附塔A/B/C进行均压；吸附塔A/B/C经均压降后，打开第一级逆向解析控制阀A2/B2/C2使吸附塔A/B/C内压力降至常压，进一步废气由真空泵V01经抽真空控制阀A3/B3/C3从吸附塔A/B/C抽出。第一级产品气缓冲罐T01收集的气体经第二级进气控制阀D1/E1/F1流入吸附塔D/E/F；吸附塔D/E/F内的吸附剂吸附经第一级吸附分离处理过的气体中强吸附组分甲烷后，富氮气气体作为产品气经第二级产品气控制阀D6/E6/F6从吸附塔D/E/F的排气端流出，通过氮气缓冲罐T02进行收集；吸附结束后，打开第二级顺放控制阀D4/E4/F4使吸附塔D/E/F内压力降至常压；吸附塔A/B/C顺放至常压后，打开第二级均压控制阀D5/E5/F5对吸附塔D/E/F进行均压，进一步高浓度甲烷产品气由真空泵V02经抽真空控制阀D3/E3/F3从吸附塔D/E/F抽出，经单向阀JV04进入最终产品气缓冲罐T03之后经逆放控制阀D2/E2/F2分别流入吸附塔D/E/F，被置换的富甲烷气体通过第二级产品气控制阀D6/E6/F6从吸附塔D/E/F排气端流出。

下面以上述分离过程的其中之一为例进行说明：

一、低浓度煤层气经压缩机P01、第一级进气缓冲罐T00，从第一级进气控制阀A1进入第一级第一吸附塔A，完成第一级第一吸附塔A的吸附步骤；

二、吸附步骤结束后，第一级产品气控制阀A6打开，富集得到的较高浓度甲烷经单向阀JV02进入第一级产气缓冲罐T01；

三、当第一级第一吸附塔A完成吸附后，关闭第一级第一进气阀A1和第一级第一产气阀A6，打开第一级第一均压控制阀A5和第一级第三均压控制阀C5，当第一级第一吸附塔A和第一级第三吸附床C塔内压力一致时，分别关闭上述两阀；

四、当上述均压步骤完成后，打开第一级第一吸附塔逆放控制阀A2，逆放至A塔压力略高于大气压，关闭A2阀；

五、逆放结束后，关闭A2阀，打开抽空阀A3,此时抽出的气体即为废气；

六、抽真空结束后，完成吸附过程的第一级第二吸附塔B对第一级第一吸附塔A进行均压升，此时打开第一级第一均压阀A5和第一级第二均压阀B5；

七、重复回到步骤一。

第一级分离过程的循环时序如表1所示

表1第一级三塔循环时序表

上述第一级分离过程得到的纯度较高的产品气，需经过第二级分离过程进一步提浓：

a)经第一级分离过程得到的产品气直接流入第一级产气缓冲罐T01，产品气经气流管道从第二级第一进气控制阀D1进入第二级第一吸附塔D，完成第二级第一吸附塔D的升压步骤；

b)升压步骤结束后，第二级第一产品气控制阀D1打开，未被吸附组分(主要为氮气)经单向阀JV03进入氮气缓冲罐T02；

c)当第二级第一吸附塔D吸附结束后，关闭进气控制阀D1和产气阀D6，打开顺放阀D4；

d)顺放结束后，关闭顺放阀D4，打开均压阀D5和F6，实现D和F吸附塔的均压；

e)均压结束后，关闭均压阀D5和F6，打开第二级第一吸附塔D塔底逆放阀D2和塔顶顺放阀D4，使甲烷流入吸附塔D进行置换；

f)上述置换步骤结束后，关闭第二级第一吸附塔D塔底逆放阀D2和塔顶顺放阀D4，打开第二级第一吸附塔抽空控制阀D3，此时抽出的气体即为最终的产品气；

g)重复回到步骤a)。

第二级分离过程的循环时序如表2所示

表2第二级三塔循环时序表

本实施例中煤层气甲烷体积分数为30％，余下部分为氮气和氧气；本实验方案中工艺参数如下，第一级吸附压力为0.7MPa，均压结束压力为0.01Mpa，第二级吸附压力为0.4MPa，均压结束压力为0.01MPa；本实施例中富集得到的最终产品甲烷体积分数大于90％，氧气浓度低于0.3％。

本文虽然已经给出了本实用新型的若干实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是事例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。